一种冻土区隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置的制作方法

本实用新型涉及交通隧道设计与建造工程技术领域，特别涉及一种冻土区隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置。

背景技术：

随着在建和已建冻土区隧道数量越来越多，运营期隧道冻害问题也越发普遍。冻土区隧道运营期冻害问题主要表现形式为隧道衬砌冻胀开裂、渗水挂冰、水沟冻结等。衬砌冻胀开裂会造成隧道耐久性、安全性严重降低，服役时间急剧减少；渗水挂冰、水沟冻结问题使隧道内积冰严重，净空减小，无法行车。目前国内外研究成果认为衬砌背后局部积水反复地冻融循环过程是造成运营期隧道冻害问题的主要因素之一。

人们对隧道衬砌背后不同积水位置、积水量值及反复冻融循环作用条件下隧道衬砌结构受力特征、破坏模式缺乏深入了解，隧道衬砌背后积水补给作用机制尚不明确。通过建立隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置进行隧道衬砌背后局部积水冻融循环条件下隧道结构受力特性模型试验，以分析得出隧道衬砌结构在不同积水位置、积水量值以及冻融循环次数条件下隧道衬砌结构的受力特征、破坏模式以及隧道衬砌背后积水补给机制，对完善冻土区隧道结构设计体系；优化冻土区隧道结构防排水、保温形式；为冻土区隧道结构问题提供试验数据，具有十分重要的意义。

现有国内外学者研究冻土区隧道结构方面研究，主要采用的方法有理论推导、数值模拟、室内试验等。其中，理论推导、数值模拟研究方法主要针对于围岩冻胀机理、冻胀本构模型、冻土区围岩温度场分布规律等内容的研究，针对隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用方面研究还不系统、全面。理论推导研究手段往往假设条件限定过多，且相关变量的改变会导致推导结果无法显式表达，结果也过于理想化，对实际施工指导意义有限；数值模拟虽然相对减少了计算量，节约计算时间，但模拟过程是基于理论，存在模拟结果无法与实际情况相匹配的不足。室内模型试验是将隧道现场进行缩尺真实模拟，具有与实际情况吻合度高，成本低的特点，是研究冻土区隧道结构较为理想的研究方法。

现有的冻土区隧道结构冻胀作用模拟系统主要是固定含水率围岩条件下冻胀作用模拟系统，通过调整围岩材料含水率，实现不同围岩等级、含水率条件下冻胀作用对于隧道结构的影响，其仅考虑了特定围岩含水率由未冻到冻结单一冻胀过程对于隧道结构的影响。现有方法和系统通常用于常年冻土区公路隧道和铁路隧道，无法考虑季节性冻土区隧道受到反复冻胀循环作用影响下隧道衬砌裂缝发展变化的循环过程，且相比于围岩整体冻胀量值，衬砌背后局部积水位置冻胀作用量值较大，冻胀荷载分布不均匀，更易使衬砌结构产生应力集中现象，造成隧道衬砌局部位置开裂，衬砌破坏形式也与实际隧道破坏形式较为吻合。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种冻土区隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置，以更好地模拟不同水文地质条件和包括季节性冻土区、常年冻土区的不同围岩级别，实现在不同水文地质条件下隧道衬砌背后不同积水位置、积水量值以及反复冻融循环作用时，隧道衬砌受力特征、破坏模式的模拟，为冻土区隧道的设计、施工和运营期的长期稳定提供更加可靠的试验数据，从而更好地保证冻土区隧道结构的安全和经济性。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方法如下：

本实用新型的一种冻土区隧道局部积水冻融循环作用模拟、监测装置，其特征是：包括主体试验箱、环境模拟箱、检测装置和冻融循环模拟系统；所述环境模拟箱设置于主体试验箱内，隧道衬砌结构模型竖立放置于环境模拟箱内，隧道衬砌结构模型外壁上设置衬砌背后局部积水模拟装置，衬砌背后局部积水模拟装置通过积水补给管路与悬挂于主体试验箱外壁上的积水补给装置相连接；所述环境模拟箱内于隧道衬砌结构模型外填装围岩模拟材料；所述检测装置的元器件埋设于围岩模拟材料内，粘贴于隧道衬砌结构模型的内、外壁上；所述冻融循环模拟系统的主机设置于主体试验箱外，其送风装置设置于主体试验箱侧壁的上部。

本实用新型的有益效果主要体现在如下几个方面：

(1)该试验装置可实现模拟不同环境温度、不同冻融循环次数、不同冻土区类型、不同隧道断面形式及大小条件下，隧道衬砌背后积水成冰冻胀作用对隧道衬砌结构受力特征、破坏模式。通过调整冻融循环环境模拟装置中冻融循环模拟系统中高低温差值及升、降温循环次数，以实现上述模拟。

(2)按照衬砌背后不同积水位置、积水量及积水分布形式，采用高强度海绵，制作隧道衬砌背后积水模拟材料，以实现衬砌背后不同积水位置、积水量及积水分布形式条件下，积水成冰冻胀作用对隧道衬砌受力特征、破坏模式的影响。

(3)通过修改主体试验箱内围岩模拟材料的配合比可以模拟不同围岩等级、不同含水率条件下，隧道衬砌背后积水成冰冻胀作用对隧道衬砌受力特征、破坏模式的影响。

(4)通过调整隧道衬砌模拟材料的配合比及形状，可以模拟不同隧道衬砌断面形式、不同隧道断面大小、不同衬砌强度条件下，隧道衬砌背后积水成冰冻胀作用对隧道衬砌受力特征、破坏模式的影响。

附图说明

本说明书包括如下三幅附图：

图1是本实用新型一种冻土区隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置的正视图；

图2是本实用新型一种冻土区隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置的左视图；

图3是本实用新型一种冻土区隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置的俯视图。

图中示出主要部件及所对应的标记：主体试验箱1、环境模拟箱2，送风装置3，冻融循环模拟系统4，隧道衬砌结构模型5，衬砌背后局部积水模拟装置6，积水补给管路7，密闭门8，积水补给装置9，环境模拟箱监测元器件10、主体试验箱监测元器件11、围岩模拟材料12。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型进一步说明，具体实施方式是对本实用新型原理的进一步说明，不以任何方式限制本实用新型，与本实用新型相同或类似技术均没有超出本实用新型保护的范围。

参照图1、图2和图3，本实用新型的一种冻土区隧道局部积水冻融循环作用模拟、监测装置包括主体试验箱1、环境模拟箱2、检测装置和冻融循环模拟系统4。所述环境模拟箱2设置于主体试验箱1内，隧道衬砌结构模型5竖立放置于环境模拟箱2内，隧道衬砌结构模型5外壁上设置衬砌背后局部积水模拟装置6，衬砌背后局部积水模拟装置6通过积水补给管路7与悬挂于主体试验箱1外壁上的积水补给装置9相连接。所述环境模拟箱2内于隧道衬砌结构模型5外填装围岩模拟材料12。所述检测装置的元器件埋设于围岩模拟材料12内，粘贴于隧道衬砌结构模型5 的内、外壁上。所述冻融循环模拟系统4的主机设置于主体试验箱1外，其送风装置3设置于主体试验箱1侧壁的上部。

所述围岩模拟材料12可选择不同的材料和配合比模拟不同的围岩级别，围岩模拟材料12包括石膏、水、石英砂和重晶石粉等。填装时每15cm 一层分作至少两次进行填装，每次填装完毕后层间刮毛，避免分层，然后人工振捣20次使围岩模拟材料12达到需求的容重要求。

所述隧道衬砌结构模型5可以采用不同隧道断面尺寸和不同材料配合制作。即可选择不同的隧道断面尺寸和材料配合比模拟不同隧道结构形式、大小，包括马蹄形、圆形、直墙形，小断面、中断面、大断面、特大断面等。隧道衬砌结构模型5的制作材料包括石膏、水、石英砂等，按照一定配合比拌合后浇入模具制成需求的形状。

所述衬砌背后局部积水模拟装置6采用高强度海绵制作，与隧道衬砌结构模型5外壁紧密贴合，以实现模拟隧道衬砌背后不同积水位置、积水量值的模拟。并在其中心固定积水补给管路7端部，积水补给管路7 外部包裹保温材料。

所述积水补给装置9由电子水量监测装置、储水罐、补给水管组成，由电子水量监测装置自动记录储水罐内水量变化情况，以实现监测积水补给作用过程。

参照图1，所述主体试验箱1由钢板焊接组成，箱体顶面与箱体螺栓固结，方便开合填装围岩模拟材料12、隧道衬砌结构模型5、衬砌背后局部积水模拟装置6。箱体顶面按试验监测、积水补给需求开设通孔11，方便补给水管、监测线缆引出。所述环境模拟箱2内壁和底壁上均设置一定厚度的保温层，一侧侧壁上设置可开启的密闭门8。

所述冻融循环模拟系统4的主机由大型程控式高低温冷暖空调及控制系统组成。通过设定主机的高低温控制程序以及升降温循环次数，通过送风装置3按所需进行升温、降温过程。

所述监测装置包括土压力计、温度探测传感器、应变花、数控位移采集仪、电子水量监测装置、静态应变采集仪或者动态采集仪。围岩模拟材料12内部按监测方案进行土压力计、温度传感器的布置，隧道衬砌结构模型5内壁、外壁上按监测方案进行应变花、数控位移采集仪的布置。

按照需求将主体试验箱1、围岩模拟材料12、隧道衬砌结构模型5、衬砌背后局部积水装置6、积水补给管路7、积水补给装置储水罐9设置完毕后，设置冻融循环模拟系统4的主机的控制程序，送风装置3开始工作。随着环境模拟箱2温度降低，衬砌背后局部积水模拟装置6形成积水成冰过程，隧道衬砌结构模型5受到局部积水冻胀力作用；进而随着环境模拟箱2温度逐渐升高，衬砌背后局部积水成冰位置冻胀作用消失，积水补给装置储水罐9中的水通过积水补给管路7向衬砌背后局部积水装置流动，产生积水补给现象；当环境模拟箱2温度再一次降低时，衬砌背后局部积水模拟装置6冻胀作用再次发生，如此往复循环，最终形成冻融循环作用下衬砌背后局部积水位置冻胀作用。

与现有方法相比较，本实用新型可以更好地模拟不同水文地质条件和包括季节性冻土区、常年冻土区的不同围岩级别，实现在不同水文地质条件下隧道衬砌背后不同积水位置、积水量值以及反复冻融循环作用时，隧道衬砌受力特征、破坏模式的模拟，为冻土区隧道的设计、施工和运营期的长期稳定提供更加可靠的试验数据，从而更好地保证冻土区隧道结构的安全和经济性。

以上所述只是用图解说明本实用新型一种冻土区隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置的一些原理，并非是要将本实用新型局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本实用新型所申请的专利范围。